单例模式（Singleton）详解——转载

单例模式（Singleton）

 

首先来明确一个问题，那就是在某些状况下，有些对象，咱们只须要一个就能够了，

好比，一台计算机上能够连好几个打印机，可是这个计算机上的打印程序只能有一个，

这里就能够经过单例模式来避免两个打印做业同时输出到打印机中，

即在整个的打印过程当中我只有一个打印程序的实例。

简单说来，单例模式（也叫单件模式）的做用就是保证在整个应用程序的生命周期中，

任何一个时刻，单例类的实例都只存在一个（固然也能够不存在）。

    

              

下面来看单例模式的结构图（图太简单了）

从上面的类图中能够看出，在单例类中有一个构造函数 Singleton ，

可是这个构造函数倒是私有的（前面是“ - ”符号），

而后在里面还公开了一个 GetInstance（）方法，

经过上面的类图不难看出单例模式的特色，从而也能够给出单例模式的定义

单例模式保证一个类仅有一个实例，同时这个类还必须提供一个访问该类的全局访问点。

先来将 Singleton 写出来再说

         

        

Singleton 类

namespace Singleton 
{ 
    public class Singleton 
    { 
        //定义一个私有的静态全局变量来保存该类的惟一实例 
        private static Singleton singleton;

        /// <summary> 
        /// 构造函数必须是私有的 
        /// 这样在外部便没法使用 new 来建立该类的实例 
        /// </summary> 
        private Singleton() 
        { 
        }

       /// <summary> 
        /// 定义一个全局访问点 
        /// 设置为静态方法 
        /// 则在类的外部便无需实例化就能够调用该方法 
        /// </summary> 
        /// <returns></returns> 
        public static Singleton GetInstance() 
        { 
            //这里能够保证只实例化一次 
            //即在第一次调用时实例化 
            //之后调用便不会再实例化 
            if (singleton == null) 
            { 
                singleton = new Singleton(); 
            } 
            return singleton; 
        } 
    } 
}

客户端代码

using System;

namespace SingletonTest 
{ 
    class Program 
    { 
        static void Main(string[] args) 
        { 
            Singleton.Singleton singletonOne = 
                Singleton.Singleton.GetInstance(); 
            Singleton.Singleton singletonTwo = 
                Singleton.Singleton.GetInstance();

            if (singletonOne.Equals(singletonTwo)) 
            { 
                Console.WriteLine("singletonOne 和 singletonTwo 表明的是同一个实例"); 
            } 
            else 
            { 
                Console.WriteLine("singletonOne 和 singletonTwo 表明的是不一样一个实例"); 
            }

            Console.ReadKey(); 
        } 
    } 
}

运行结果为

从上面的结果能够看出来，尽管我两次访问了 GetInstance（），可是我访问的只是同一个实例，

换句话来讲，上面的代码中，因为构造函数被设置为 private 了，

因此您没法再在 Singleton 类的外部使用 new 来实例化一个实例，您只能经过访问 GetInstance（）来访问 Singleton 类，

GetInstance（）经过以下方式保证该 Singleton 只存在一个实例：

首先这个 Singleton 类会在在第一次调用 GetInstance（）时建立一个实例，并将这个实例的引用封装在自身类中，

而后之后调用 GetInstance（）时就会判断这个 Singleton 是否存在一个实例了，若是存在，则不会再建立实例。

而是调用之前生成的类的实例，这样下来，整个应用程序中便就只存在一个实例了。

从这里再来总结单例模式的特色：

首先，单例模式使类在程序生命周期的任什么时候刻都只有一个实例，

而后，单例的构造函数是私有的，外部程序若是想要访问这个单例类的话，

必须经过 GetInstance（）来请求（注意是请求）获得这个单例类的实例。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     

                             

有的时候，老是容易把全局变量和单例模式给弄混了，下面就剖析一下全局变量和单例模式相比的缺点

首先，全局变量呢就是对一个对象的静态引用，全局变量确实能够提供单例模式实现的全局访问这个功能，

可是，它并不能保证您的应用程序中只有一个实例，同时，在编码规范中，也明确指出，

应该要少用全局变量，由于过多的使用全局变量，会形成代码难读，

还有就是全局变量并不能实现继承（虽然单例模式在继承上也不能很好的处理，可是仍是能够实现继承的）

而单例模式的话，其在类中保存了它的惟一实例，这个类，它能够保证只能建立一个实例，

同时，它还提供了一个访问该惟一实例的全局访问点。

               

            

上面呢，差很少就将单例模式的核心给介绍完了，

或许，您会以为单例模式就这么个东西啊，不就是保证只有一个实例嘛，也太简单了,

若是您真这么想的话，那您就错了，由于要保证在整个应用程序生命周期中保证只有一个实例不是那么容易的，

下面就来看一种状况（这里先假设个人应用程序是多线程应用程序），同时仍是之前面的 Demo 来作为说明，

若是在一开始调用 GetInstance（）时，是由两个线程同时调用的（这种状况是很常见的），注意是同时，

（或者是一个线程进入 if 判断语句后但尚未实例化 Singleton 时，第二个线程到达，此时 singleton 仍是为 null）

这样的话，两个线程均会进入 GetInstance（），然后因为是第一次调用 GetInstance（），

因此存储在 Singleton 中的静态变量 singleton 为 null ，这样的话，就会让两个线程均经过 if 语句的条件判断，

而后调用 new Singleton（）了，

        public static Singleton GetInstance() 
        {  
            if (singleton == null) 
            { 
                singleton = new Singleton(); 
            } 
            return singleton; 
        } 

这样的话，问题就出来了，由于有两个线程，因此会建立两个实例，

很显然，这便违法了单例模式的初衷了，

那么如何解决上面出现的这个问题（即多线程下使用单例模式时有可能会建立多个实例这一现象）呢？

其实，这个是很好解决的，

您能够这样思考这个问题：

因为上面出现的问题中涉及到多个线程同时访问这个 GetInstance（），

那么您能够先将一个线程锁定，而后等这个线程完成之后，再让其余的线程访问 GetInstance（）中的 if 段语句，

好比，有两个线程同时到达

若是 singleton ！= null 的话，那么上面提到的问题是不会存在的，由于已经存在这个实例了，这样的话，

全部的线程都没法进入 if 语句块，

也就是全部的线程都没法调用语句 new Singleton（）了，

这样仍是能够保证应用程序生命周期中的实例只存在一个，

可是若是此时的 singleton == null 的话，

那么意味着这两个线程都是能够进入这个 if 语句块的，

那么就有可能出现上面出现的单例模式中有多个实例的问题，

此时，我可让一个线程先进入 if 语句块，而后我在外面对这个 if 语句块加锁，

对第二个线程呢，因为 if 语句进行了加锁处理，因此这个进程就没法进入 if 语句块而处于阻塞状态，

当进入了 if 语句块的线程完成 new  Singleton（）后，这个线程便会退出 if 语句块，

此时，第二个线程就从阻塞状态中恢复，即就能够访问 if 语句块了，可是因为前面的那个线程已近建立了 Singleton 的实例，

因此 singleton != null ，此时，第二个线程便没法经过 if 语句的判断条件了，

即没法进入 if 语句块了，这样便保证了整个生命周期中只存在一个实例，

也就是只有第一个线程建立了 Singleton 实例，第二个线程则没法建立实例。

下面就来从新改进前面 Demo 中的 Singleton 类，使其在多线程的环境下也能够实现单例模式的功能。

namespace Singleton 
{ 
    public class Singleton 
    { 
        //定义一个私有的静态全局变量来保存该类的惟一实例 
        private static Singleton singleton;

        //定义一个只读静态对象 
        //且这个对象是在程序运行时建立的 
        private static readonly object syncObject = new object();

        /// <summary> 
        /// 构造函数必须是私有的 
        /// 这样在外部便没法使用 new 来建立该类的实例 
        /// </summary> 
       private Singleton() 
        {

        }

       /// <summary> 
        /// 定义一个全局访问点 
        /// 设置为静态方法 
        /// 则在类的外部便无需实例化就能够调用该方法 
        /// </summary> 
        /// <returns></returns> 
        public static Singleton GetInstance() 
        { 
            //这里能够保证只实例化一次 
            //即在第一次调用时实例化 
            //之后调用便不会再实例化 

            //第一重 singleton == null 
            if (singleton == null) 
            { 
                lock (syncObject) 
                {

                            //第二重 singleton == null

                    if (singleton == null) 
                    { 
                        singleton = new Singleton(); 
                    } 
                } 
            } 
            return singleton; 
        } 
    } 
}

上面的就是改进后的代码，能够看到在类中有定义了一个静态的只读对象  syncObject，

这里须要说明的是，为什么还要建立一个 syncObject 静态只读对象呢？

因为提供给 lock 关键字的参数必须为基于引用类型的对象，该对象用来定义锁的范围，

因此这个引用类型的对象总不能为 null 吧，而一开始的时候，singleton 为 null ，因此是没法实现加锁的，

因此必需要再建立一个对象即 syncObject 来定义加锁的范围。

还有要解释一下的就是在 GetInstance（）中，我为何要在 if 语句中使用两次判断 singleton == null ，

这里涉及到一个名词 Double-Check Locking ，也就是双重检查锁定，

为什么要使用双重检查锁定呢？

考虑这样一种状况，就是有两个线程同时到达，即同时调用 GetInstance（），

此时因为 singleton == null ，因此很明显，两个线程均可以经过第一重的 singleton == null ，

进入第一重 if 语句后，因为存在锁机制，因此会有一个线程进入 lock 语句并进入第二重 singleton == null ，

而另外的一个线程则会在 lock 语句的外面等待。

而当第一个线程执行完 new  Singleton（）语句后，便会退出锁定区域，此时，第二个线程即可以进入 lock 语句块，

此时，若是没有第二重 singleton == null 的话，那么第二个线程仍是能够调用 new  Singleton（）语句，

这样第二个线程也会建立一个 Singleton 实例，这样也仍是违背了单例模式的初衷的，

因此这里必需要使用双重检查锁定。

细心的朋友必定会发现，若是我去掉第一重 singleton == null ，程序仍是能够在多线程下无缺的运行的，

考虑在没有第一重 singleton == null 的状况下，

当有两个线程同时到达，此时，因为 lock 机制的存在，第一个线程会进入 lock 语句块，而且能够顺利执行 new Singleton（），

当第一个线程退出 lock 语句块时， singleton 这个静态变量已不为 null 了，因此当第二个线程进入 lock 时，

仍是会被第二重 singleton == null 挡在外面，而没法执行 new Singleton（），

因此在没有第一重 singleton == null 的状况下，也是能够实现单例模式的？那么为何须要第一重 singleton == null 呢？

这里就涉及一个性能问题了，由于对于单例模式的话，new Singleton（）只须要执行一次就 OK 了，

而若是没有第一重 singleton == null 的话，每一次有线程进入 GetInstance（）时，均会执行锁定操做来实现线程同步，

这是很是耗费性能的，而若是我加上第一重 singleton == null 的话，

那么就只有在第一次，也就是 singleton ==null 成立时的状况下执行一次锁定以实现线程同步，

而之后的话，便只要直接返回 Singleton 实例就 OK 了而根本无需再进入 lock 语句块了，这样就能够解决由线程同步带来的性能问题了。

 

 

 

 

 

好，关于多线程下单例模式的实现的介绍就到这里了，可是，关于单例模式的介绍还没完。

                    

                 

                   

下面将要介绍的是懒汉式单例和饿汉式单例

懒汉式单例

何为懒汉式单例呢，能够这样理解，单例模式呢，其在整个应用程序的生命周期中只存在一个实例，

懒汉式呢，就是这个单例类的这个惟一实例是在第一次使用 GetInstance（）时实例化的，

若是您不调用 GetInstance（）的话，这个实例是不会存在的，即为 null

形象点说呢，就是你不去动它的话，它本身是不会实例化的，因此能够称之为懒汉。

其实呢，我前面在介绍单例模式的这几个 Demo 中都是使用的懒汉式单例，

看下面的 GetInstance（）方法就明白了：

        public static Singleton GetInstance() 
        { 
            if (singleton == null) 
            { 
                lock (syncObject) 
                {

                    if (singleton == null) 
                    { 
                        singleton = new Singleton(); 
                    } 
                } 
            } 
            return singleton; 
        }

从上面的这个 GetInstance（）中能够看出这个单例类的惟一实例是在第一次调用 GetInstance（）时实例化的，

因此此为懒汉式单例。

               

            

饿汉式单例

上面介绍了饿汉式单例，到这里来理解懒汉式单例的话，就容易多了，懒汉式单例因为人懒，

因此其本身是不会主动实例化单例类的惟一实例的，而饿汉式的话，则恰好相反，

其因为肚子饿了，因此处处找东西吃，人也变得主动了不少，因此根本就不须要别人来催他实例化单例类的为一实例，

其本身就会主动实例化单例类的这个惟一类。

在 C# 中，能够用特殊的方式实现饿汉式单例，即便用静态初始化来完成饿汉式单例模式

下面就来看一看饿汉式单例类

namespace Singleton 
{ 
    public sealed class Singleton 
    { 
        private static readonly Singleton singleton = new Singleton();

        private Singleton() 
        { 
        }

        public static Singleton GetInstance() 
        { 
            return singleton; 
        } 
    } 
}

要先在这里提一下的是使用静态初始化的话，无需显示地编写线程安全代码，

C# 与 CLR 会自动解决前面提到的懒汉式单例类时出现的多线程同步问题。

上面的饿汉式单例类中能够看到，当整个类被加载的时候，就会自行初始化 singleton 这个静态只读变量。

而非在第一次调用 GetInstance（）时再来实例化单例类的惟一实例，因此这就是一种饿汉式的单例类。

               

             

                

好，到这里，就真正的把单例模式介绍完了，在此呢再总结一下单例类须要注意的几点：

1、单例模式是用来实如今整个程序中只有一个实例的。

2、单例类的构造函数必须为私有，同时单例类必须提供一个全局访问点。

3、单例模式在多线程下的同步问题和性能问题的解决。

4、懒汉式和饿汉式单例类。

5、C# 中使用静态初始化实现饿汉式单例类。